直接系列扩频通信中的伪随机码

1 wifi 基础：直接序列扩频技术1.1 概述直接序列扩频系统是目前广泛应用的一种扩展频谱系统。

直接序列扩频通信开始出现于第二次世界大战，是美军重要的无线保密通信技术。

现在直扩技术被广泛应用于包括计算机无线网等许多领域。

美国的国际卫星通信系统和全球定位系统都是直接序列扩频系统的应用实例。

直接序列扩频（DSSS ），（Direct seqcuence spread spectrdm ）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。

它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN 码（伪噪声码）进行摸二加。

例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。

这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB 以上，从而有效地提高了整机信噪比。

1.2 扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。

通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。

这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。

在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。

显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。

在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。

通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。

由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。

可靠性就是用来衡量收到信息与发出信息的符合程度。

实验八伪随机码产生器实验一、实验实训目的1．了解扩频通信的原理2．掌握伪随机序列——m序列产生器的结构二、实验原理与说明信号的频带宽度与其脉冲宽度近似成反比。

很窄的脉冲序列的带宽很宽，因此如果用很窄的脉冲序列对所传信息进行调制，则可产生很宽频带的信号。

CDMA 蜂窝网移动通信系统就是采用这种方式获得扩频信号的。

所用的这种很窄的脉冲码序列称为扩频码序列。

用很窄的脉冲序列对所传信息进行调制的一种方式就是直接序列扩频。

直接序列扩频系统采用的很窄的脉冲序列——伪随机码在发端对要发送的信息码进行频谱展宽——扩频，在收端用相同的伪随机码序列进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。

作为扩频码的伪随机码具有类似白噪声的特性，可以用一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，称之为伪随机码或PN码。

用于扩频码的伪随机码常用的m序列。

m序列容易产生、规律性强等优良特性，目前的CDMA系统就是采用这种PN 序列---m序列来进行扩频通信的。

m序列是最长线性移位寄存器的简称，m序列具有与伪随机噪声类似的尖锐自相关特性，但它不是真正随机的，而是按照一定规律周期性变化，它的周期P=2n-1。

n称之为m序列的阶数，也是构成m序列产程器所用移位寄存器的级数。

可以用硬件电路来实现一个m序列。

以最简单的n=3的三级移位寄存器构成的m序列发生器如图1所示。

移位寄存器是D触发器（如74163），在时钟脉冲CP上升沿到来时，输出Q等于输入D。

中间第二、三级移位寄存器的输出Q2和Q3经模2加（异或）电路后反馈到第一级移位寄存器的输入D1端，构成反馈电路。

当初始状态Q1Q2Q3为111时，在时钟脉冲的控制下，各输出端的输出数据如表1所示，得到输出周期为P=23-1=7的码序列1110010。

在输出一个周期的序列后，Q1Q2Q3又回到111状态。

在时钟的控制下，输出序列做周期性的重复。

1110010就是一个周期是7的m序列。

产生周期为P=2n-1的m序列的方法类似。

扩频通信的理论基础1.1扩频通信的基本概念通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。

通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。

这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。

在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。

显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。

在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。

通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。

由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息和发出的信息并不完全相同。

可靠性就是用来衡量收到信息和发出信息的符合程度。

因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。

在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。

在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。

扩展频谱通信由于具有很强的抗干扰能力，首先在军用通信系统中得到了使用。

近年来，扩展频谱通信技术的理论和使用发展非常迅速，在民用通信系统中也得到了广泛的使用。

扩频通信是扩展频谱通信的简称。

我们知道，频谱是电信号的频域描述。

承载各种信息（如语音、图象、数据等）的信号一般都是以时域来表示的，即信息信号可表示为一个时间的函数)(t f 。

信号的时域表示式)(t f 可以用傅立叶变换得到其频域表示式)(f F 。

频域和时域的关系由式(1-1)确定：⎰∞∞--=t e t f f F ft j d )()(π2⎰∞∞-=f e f F t f ft j d )()(π2 (1-1) 函数)(t f 的傅立叶变换存在的充分条件是)(t f 满足狄里赫莱(Dirichlet)条件，或在区间(-∞，+∞)内绝对可积，即t t f d )(⎰∞∞-必须为有限值。

扩展频谱通信系统是指待传输信息信号的频谱用某个特定的扩频函数（和待传输的信息信号)(t f 无关）扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将其扩展了的频谱压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而到达传输信息目的的通信系统。

摘要扩频通信作为一种新型的通信体制，具有很多独特的优点，在军用和民用领域中都得到了广泛的应用。

扩频通信中一个关键性的问题就是扩频信号的同步，包括捕获和跟踪两个步骤，同步性能的优劣直接影响到整个扩频通信系统的性能。

因此，对直扩系统同步的研究具有很大的实用价值。

本文深入研究了扩频通信中直接扩频系统的同步技术，包括伪随机(PN)序列的捕获、跟踪和载波同步。

在伪随机(PN)序列的捕获中研究了串并结合的大步进方法。

研究了伪码串行-载波并行、伪码并行-载波串行、伪码串行-载波并行、伪码并行-载波并行4种捕获方法。

在特定的参数下，设计出直扩通信系统，并在高斯信道条件下，仿真得出了直扩系统的误码率性能曲线，在此基础上运用了伪码并行-载波串行的方法进行仿真分析，从MATLAB仿真结果可以看出捕获方案确实可行。

关键词：扩频通信；同步；捕获；跟踪AbstractAs a new type of communications system,spread spectrum communications has many unique advantages, and has been widely used in both military and civilian fields. The synchronization of spread specturn signal, including acquisition and tracking, is the key problem of spread specturn communication. The performance of synchronizing has direct impact on the whole spread spectrun communication system. As a result, it’s very important to discuss this problem.This paper researches into synchronization techniques of direct-sequence spread spectrum systems, which include PN code acquisition, PN code tracking and carrier recovery. we studied PN acquisition scheme, large step acquision scheme. This paper discusses four capture methods about serial PN code, serial carrier, parallel PN code, serial carrier, serial PN code, parallel carrier, and parallel PN code, parallel carrier. Incertain parameters, design of direct sequence spread spectrum communication system, and in the Gauss channel conditions, simulation of the curve of the BER performance of DSSS system, on the basis of using the parallel PN code, carrier serial simulation, simulation results can be seen from the MATLAB capture scheme is feasible.Keywords: S pread Spectrum Communications; Synchronization; Acquisition; Tracking目录1 绪论 (1)2直接序列扩频通信的理论基础 (4)2.1扩频通信的理论基础 (4)2.1.1基本理论 (4)2.1.2扩频通信的特点 (5)2.2直接序列扩频通信系统 (6)2.3伪随机序列 (9)2.3.1m序列 (10)3 直接序列扩频系统的同步 (12)3.1同步机理 (12)3.2信号捕获 (12)3.3 信号跟踪 (17)3.3.1 载波跟踪技术 (17)3.3.2 锁相环原理 (18)3.3.3 锁频环原理 (20)3.3.4 锁相环与锁频环的性能比较 (21)4直扩系统的仿真分析 (23)4.1设计参数 (23)4.2 直扩通信系统的原理框图 (23)4.3直扩通信系统的仿真分析 (24)4.4 直扩系统的抗干扰性能分析 (30)5 同步仿真分析 (31)5.1同步参数设计 (31)5.2 PN码的自相关性仿真 (31)5.3 捕获 (32)5.4 跟踪 (36)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录A 英文原文 (43)附录B 中文翻译 (55)附录C 程序 (64)1 绪 论扩频通信是建立在ClaudeE.Shannon 信息论基础之上的一种新型现代通信体制。

直接序列扩频通信系统抗干扰性能分析在现代战争中，通信对抗扮演着越来越重要的角色。

随着计算机技术、微电子技术等大量高新技术的应用，军事通信获得了长足的发展，尤其是跳频、扩频等一些新的通信手段应用之后，使得通信频谱越来越宽，通信的反侦察、抗干扰能力越来越强，迫使各国加紧对通信对抗技术以及装备的研制。

直接序列扩频通信由于其优良的多址接入、低截获概率、抗干扰和强保密等特性，使得它在军事通信、卫星通信和民用领域得到了广泛应用。

在电子对抗中，对扩频通信的有效干扰成为制胜关键。

第一章研究背景介绍1.1直扩通信研究背景现代战争首先是电子战，在电子战中失去优势的一方，将导致通信中断，指挥失灵等，从而丧失战争主导权。

两次海湾战争，前南斯拉夫战争以及阿富汗战争都是很好的佐证。

因此，通信对抗作为C4ISR系统的核心，越来越受到各国的重视。

通信对抗属于电子对抗，它包括通信侦察、通信干扰等主要对抗措施。

通信对抗的目的在于：侦收和截获敌方信息，测量有关技战术参数；采用各种干扰方式阻止敌方正常通信并抑制敌方对我方的干扰，保证我方通信系统有效工作。

扩频通信作为新型的通信方式，具有优良的抗干扰、抗衰落和抗多径性能及频谱利用率高、多址通信等诸多优点，并被广泛地应用于军事通信领域，极大地提高了通信系统的抗截获和抗干扰能力。

因此，扩频通信系统成为干扰方的首要作战目标，同时，扩频通信的抗干扰、抗截获、抗侦破特性给干扰方带来了巨大的困难。

为取得现代电子战的胜利，针对扩频通信系统研究高效的干扰方式，如何有效的干扰成为取得现代电子战胜利的重要一环，对战时通信对抗具有重要意义。

1.2直扩通信的军事应用情况1）直扩通信技术在舰艇卫星通信系统上应用广泛。

国外舰艇卫星通信系统和国内舰艇卫星通信系统均采用码分多址通信方式，使用C波段。

这样网络组织与撤收灵活，通信质量高，频道使用少。

从目前使用看，这种方式充分发挥了直接序列扩频通信的特点，是扩频通信应用成功的范例。

扩频通信中的伪随机码设计扩频通信是当前无线通信技术的主流之一，它采用扩频技术将信号的宽带进行扩展，在传输过程中，再通过伪随机码的附加和匹配，实现了对信号的扩展和分离，从而提高了通信的可靠性和抗干扰性。

伪随机码的设计是扩频通信中不可或缺的一部分，本文将从伪随机码的基本原理、分类及生成方法等几个方面介绍一下扩频通信中的伪随机码设计。

一、伪随机码的基本原理伪随机码是指在一定规则和特定算法的控制下，以一定的频率、时序、幅度等参数产生的，看似随机的、符合特定要求的数字序列，也叫做伪随机数。

在扩频通信中，伪随机码起到了扩频和解扩的作用。

它通过对原始信号比特流进行“掩码”，产生扩展后的信号比特流，掩码的方式是将原始比特流与伪随机码相乘（或者异或），从而实现信号的扩展。

而在解扩的时候，则需要将接收到的扩展信号比特流与与发送端使用相同的伪随机码进行匹配，以还原出原始信号。

二、伪随机码的分类伪随机码包括序列化伪随机码和分组伪随机码两种类型。

序列化伪随机码在传统扩频通信中广泛采用，它是产生一个连续的比特流，这样的伪随机码可以通过移位反馈寄存器等简单电路实现，但因为它是按位产生的，因此抗干扰性差。

而分组伪随机码则是按照比特组的方式产生的，它具有编码长度长、抗干扰性强等优点，但是在实现过程中需要大量的存储器。

三、伪随机码的生成方法(1) 线性反馈移位寄存器方法生成线性反馈移位寄存器的伪随机码的方法是最为常见的。

它采用若干个寄存器，在时钟的驱动下实现对寄存器状态的移位和反馈，经过一定的变换，形成一个见长为n的伪随机码。

在移位反馈寄存器中，选用的初始状态对于伪随机码的性能和品质有着很大的影响，初始状态的好坏需要通过实验去找到一个最优的选择。

(2) 次序递推法次序递推法是另一种常见的伪随机码生成方法，它通过计算递推公式产生一个序列。

采用此方法产生的伪随机码，对于选定的初始值和参数，是稳定的、连续的和非周期性的。

此方法可以在任意一个位置开始计算，并且只需存储少量的参数和一个初始值。

直接序列扩频系统(2)5.2 扩频码序列5.2.1 码序列的相关性在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列。

这是指扩频码序列的波形而言。

并未涉及码的结构和如何产生等问题。

那么究竟选用什么样的码序列作为扩频码序列呢? 它应该具备哪些基本性能呢? 现在实际上用得最多的是伪随机码，或称为伪噪声(PN)码。

这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。

因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。

但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。

我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或PN码。

为什么要选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息呢？许多理论研究表明，在信息传输中各种信号之间的差别性能越大越好。

这样任意两个信号不容易混淆，也就是说，相互之间不易发生干扰，不会发生误判。

理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。

用它们代表两种信号，其差别性就最大。

在数学上是用自相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。

随机信号的自相关函数的定义为下列积分：式中f(t)为信号的时间函数，t为时间延迟。

上式的物理概念是f(t)与其相对延迟的t 的f( t - t)来比较:如二者不完全重叠，即t 0，则乘积的积分ya(t)为0；如二者完全重叠，即t＝0；则相乘积分后ya(0)为一常数。

因此，ya(t)的大小可用来表征f(t)与自身延迟后的f( t －t)的相关性，故称为自相关函数。

现在来看看随机噪声的自相关性。

图5－3(a)为任一随机噪声的时间波形及其延迟一段t 后的波形。

图5－3(b)为其自相关函数。

当t＝0时，两个波形完全相同、重叠，积分平均为一常数。

如果稍微延迟一t，对于完全的随机噪声，相乘以后正负抵消，积分为0。

因而在以t 为横座标的图上ya(t)应为在原点的一段垂直线。

在其他t 时，其值为0。

这是一种理想的二值自相关特性。

扩频通信系统的分类扩频通信系统的关键问题是在发信机部分如何产生宽带的扩频信号，在收信机部分如何解调扩频信号。

根据通信系统产生扩频信号的方式，可以分为下列几种。

1 直接序列扩展频谱系统直接序列扩展频谱系统（Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems，DS-SS），通常简称为直接序列系统或直扩系统，是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽。

用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。

直接序列扩展频谱通信系统的简化方框图参见图1-5。

在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键控（Phase Shift Keying，PSK）调制。

为了节约发射功率和提高发射机的工作效率，扩频通信系统常采用平衡调制器。

抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。

在发信机端，待传输的数据信号与伪随机码(扩频码)波形相乘(或与伪随机码序列模2加)，形成的复合码对载波进行调制，然后由天线发射出去。

在收信机端，要产生一个和发信机中的伪随机码同步的本地参考伪随机码，对接收信号进行相关处理，这一相关处理过程通常常称为解扩。

解扩后的信号送到解调器解调，恢复出传送的信息。

(a)图1-5 直接序列扩频通信系统简化图(a) 发射系统；(b) 接收系统2 跳频扩频通信系统跳频扩频通信系统是频率跳变扩展频谱通信系统（Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems，FH-SS）的简称，或更简单地称为跳频通信系统，确切地说应叫做“多频、选码和频移键控通信系统”。

它是用二进制伪随机码序列去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变。

跳频系统可供随机选取的频率数通常是几千到202个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出哪一个是由伪随机码决定的。

浅谈伪随机序列在直接序列扩频通信中的应用【摘要】伪随机序列具有良好的随机性与相关性，直接序列扩频系统正是采用了序列的良好特性，才大大提升了通信系统的整体性能。

本文介绍了伪随机序列的特性，并详细地阐述了序列在直扩系统中不同的应用于作用。

【关键词】伪随机序列直接序列扩频系统互相关1 伪随机序列的特性伪随机序列是一串具有统计特性，并能预知、重复和复制的序列。

从统计方面来看，它具有良好的随机性与相关性。

在信号的传输过程中，理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号，同时信号之间的相似程度最低，这样任意两个信号不易发生干扰且不会发生误判。

从对序列的要求特性来看，它应具有良好的随机性。

信号在传输过程中，由于信号的出现概率是完全随机的，无论获取多少信号都无法推测下一个信号内容，故信号一旦被他人截取，只要其不知序列的特性就无法获得信息的完整内容，从而提高信息的抗干性与保密性[1][2]。

扩频通信中，主要依靠扩频序列实现扩频功能[3]，所以，序列的特性决定了扩频通信的特性。

直接序列扩频是扩频通信中应用最广泛，最基础的一种扩频方式，本文将重点研究伪随机序列在直接序列扩频通信中的应用。

2 伪随机序列在直接序列扩频系统中的运用直接序列扩展频谱系统（direct sequence spread spectrum systems，ds-ss），通常简称为直接序列扩频系统或直扩系统。

该系统在发端，直接将高码率的伪随机序列与待传输的信息信号相乘，来达到扩展频谱的目的。

而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。

频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。

直接序列扩展频谱通信系统的简化方框图参见图1-1。

直扩系统中，可以看出，扩频调制是该系统的核心内容，而扩频调制的关键在于伪随机序列的使用[4]。

伪随机序列采用的并不是一般的序列，它是一串高速、相关性良好的序列，应用在直扩系统中主要有以下几种作用。

2.1 实现频谱的扩展直扩系统作为扩频通信最重要的一种方式，其首先应具备频谱扩展的特性，而这一特性正是由伪随机序列特性决定的[5]。